Η CDMA, χρησιμοποιώντας μοναδικά συστήματα κωδικοποίησης και τεχνικές διάδοσης φάσματος, διασφαλίζει ότι τα δεδομένα που μεταδίδονται μέσω των κυμάτων του αέρα παραμένουν ασφαλή και λιγότερο ευαίσθητα στην υποκλοπή ή παρεμβολή. Σε αντίθεση με παλαιότερες μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης που διαχωρίζουν τους χρήστες με συχνότητα ή χρόνο, η CDMA αναθέτει σε κάθε κλήση έναν ξεχωριστό κώδικα, επιτρέποντας πολλαπλές μεταδόσεις να μοιράζονται ταυτόχρονα την ίδια ζώνη συχνοτήτων. Αυτός ο εγγενής σχεδιασμός όχι μόνο βελτιώνει την φασματική απόδοση αλλά παρέχει επίσης ένα ισχυρό θεμέλιο για την προστασία των πληροφοριών του χρήστη από την απόκρυψη και την μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση.

Βασικές αρχές του CDMA: Spread Spectrum και Μοναδική κωδικοποίηση

Το CDMA βασίζεται στην αρχή του φάσματος εξάπλωσης άμεσης αλληλουχίας (DSSS). Σε ένα σύστημα CDMA, το σήμα δεδομένων του κάθε χρήστη πολλαπλασιάζεται με έναν κώδικα ψευδο-τυχαίων θορύβου (PN) που έχει πολύ υψηλότερο ρυθμό από τα ίδια τα δεδομένα. Αυτό διαδίδει την ενέργεια του μεταδιδόμενου σήματος σε μια ευρεία ζώνη συχνοτήτων, καθιστώντας το να εμφανίζεται ως χαμηλός θόρυβος σε οποιονδήποτε δέκτη δεν είναι εξοπλισμένος με τον ίδιο ακριβώς κώδικα PN. Μόνο ο προβλεπόμενος δέκτης, ο οποίος γνωρίζει τον συγκεκριμένο κώδικα, μπορεί να αποδιασπαστεί το σήμα και να ανακτήσει τα αρχικά δεδομένα.

Σε κάθε ενεργό χρήστη στην ίδια ζώνη συχνοτήτων αποδίδεται ένας μοναδικός ορθογωνικός κώδικας (όπως οι κωδικοί Walsh στο CDMA2000). Αυτοί οι κωδικοί έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μην παρεμβαίνουν μεταξύ τους όταν συγχρονίζονται σωστά. Επειδή οι κωδικοί είναι μαθηματικά ορθογωνικοί, ο δέκτης μπορεί να διαχωρίσει ένα συγκεκριμένο σήμα του χρήστη από το συνολικό σήμα χρησιμοποιώντας συσχέτιση. Αυτό το στρώμα κωδικοποίησης εγγενώς καθιστά το CDMA πιο ανθεκτικό στην υποκλοπή από τα συστήματα που μεταδίδουν σε σαφείς χρονοθυρίδες ή σε σταθερές συχνότητες.

Άμεσης Σειρές εναντίον Spectrum Spread με Ανοχή συχνότητας

Ενώ το CDMA χρησιμοποιεί το φάσμα εξάπλωσης άμεσης αλληλουχίας, ορισμένες παραλλαγές συστημάτων χρησιμοποιούν το φάσμα εξάπλωσης που αφορά την αγορά συχνοτήτων (FHSS) για πρόσθετη ασφάλεια. Στο FHSS, η συχνότητα του φορέα αλλάζει γρήγορα σε ένα μοτίβο γνωστό μόνο στον πομπό και τον δέκτη. Ωστόσο, οι περισσότερες εμπορικές εφαρμογές κυψελοειδούς CDMA βασίζονται στο DSSS σε συνδυασμό με εξελιγμένη κωδικοποίηση και έλεγχο ισχύος. Και οι δύο προσεγγίσεις παρέχουν προστασία από παρεμβολές στενής ζώνης και καθιστούν δύσκολη την ανακατασκευή ενός άβασνταπτερ για τα μεταδιδόμενα δεδομένα χωρίς γνώση της ακολουθίας hopping ή του κωδικού διάδοσης.

Συγκρίνοντας το CDMA με άλλες μεθόδους ασύρματης πρόσβασης

Για να εκτιμηθούν τα πλεονεκτήματα ασφαλείας του CDMA, βοηθά να αντιπαρατεθεί με άλλες mainstream τεχνολογίες πολλαπλής πρόσβασης που χρησιμοποιούνται στην ασύρματη επικοινωνία.

FDMA και TDMA

Η πολλαπλή πρόσβαση (FDMA) της διαίρεσης συχνοτήτων δίνει σε κάθε χρήστη ένα ειδικό κανάλι συχνότητας, ενώ η πολλαπλή πρόσβαση της διαίρεσης χρόνου (TDMA) δίνει σε κάθε χρήστη μια επαναλαμβανόμενη χρονοθυρίδα στην ίδια συχνότητα. Και στα δύο συστήματα, τα σήματα μεταδίδονται σε σχετικά στενά, προβλέψιμα συγκροτήματα ή χρονικά παράθυρα, καθιστώντας τα πιο ευάλωτα σε υποκλοπή από έναν δέκτη συντονισμένα σε αυτή τη συγκεκριμένη συχνότητα ή συγχρονισμένα στην χρονοθυρίδα. Ένας εισβολέας μπορεί απλά να ακούσει στο καθορισμένο κανάλι για να συλλάβει ολόκληρη τη μετάδοση. Στο CDMA, η ενέργεια κάθε μετάδοσης εξαπλώνεται τόσο λεπτά σε όλο το φάσμα ώστε ένας απλός δέκτης στενής ζώνης να αιχμαλωτίζει μόνο θόρυβο. Χωρίς γνώση του μοναδικού κωδικού διάδοσης του χρήστη, το σήμα δεν μπορεί να ανασυσταθεί.

ΟΦΔΜΑ (Χρησιμοποιείται σε LTE και 5G)

Η CDMA προσφέρει ένα επιπλέον ενσωματωμένο φυσικό φράγμα ασφαλείας που δεν διαθέτει το OFDMA. Αυτό σημαίνει ότι τα σύγχρονα συστήματα που χρησιμοποιούν το OFDMA έχουν ισχυρή κρυπτογράφηση σε ανώτερα στρώματα, έτσι το πλεονέκτημα του CDMA είναι πιο αξιοσημείωτο στα κληροδοτημένα δίκτυα ή σε σενάρια όπου απαιτείται πρόσθετη προστασία από την υποκλοπή ραδιοσυχνοτήτων.

Χαρακτηριστικά ασφαλείας των δικτύων CDMA

Τα δίκτυα CDMA εφαρμόζουν πολλαπλούς μηχανισμούς ασφαλείας που συνεργάζονται για την προστασία της φωνητικής και της κυκλοφορίας δεδομένων από μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση, υποκλοπή και παραποίηση.

Πρωτόκολλα κρυπτογράφησης

Τα πρότυπα CDMA ενσωματώνουν ισχυρούς αλγόριθμους κρυπτογράφησης. Για παράδειγμα, η οικογένεια CDMA2000 χρησιμοποιεί την ORYX κρυπτογράφηση ρεύματος (ή αργότερα ο ] κρυπτογράφηση AES σε αναθεωρήσεις) για να κωδικοποιήσει τα δεδομένα φωνής και σηματοδότησης. Η [ CAVE[] (Κινητική Αυθεντική Αυθεντικότητα και Ψηφιακή Κρυπτογράφηση) παρέχει την αυθεντικότητα και τη βασική συμφωνία. Στα δίκτυα ANSI-41, οι κρυπτογραφικές λειτουργίες βασίζονται σε τυχαίες προκλήσεις και κοινά μυστικά για να αντλούν κλειδιά συνεδρίας. Αυτά τα πρωτόκολλα κρυπτογράφησης εξασφαλίζουν ότι ακόμα και αν ένας επιτιθέμενος συλλάβει το σήμα spread-spectrum, θα χρειάζονταν ακόμα το σωστό κρυπτογραφικό κλειδί για να αποκρυπτογραφήσει την κυκλοφορία.

Μηχανισμοί ταυτοποίησης

Τα δίκτυα CDMA χρησιμοποιούν ισχυρές διαδικασίες ταυτοποίησης. Όταν μια κινητή συσκευή επιχειρεί να δηλώσει ή να ξεκινήσει μια κλήση, το δίκτυο στέλνει έναν τυχαίο αριθμό (RAND). Το κινητό χρησιμοποιεί το αποθηκευμένο μυστικό κλειδί (A-Key) για να υπολογίσει μια απάντηση ταυτοποίησης, η οποία συγκρίνεται με την αναμενόμενη αξία από το δίκτυο. Αυτή η διαδικασία αποτρέπει την κλωνοποίηση και εξασφαλίζει μόνο έγκυρη πρόσβαση συνδρομητών στο δίκτυο. Επιπλέον, το χαρακτηριστικό [[LFT:0]Voice Privacy[[LFT:1] στο CDMA (που ονομάζεται κρυπτογράφηση Ενισχυμένων Μεταβλητών Ρυθμού) μπλοκάρει τα φωνητικά bits έτσι ώστε τα υποκλαπείμενα σήματα να μην μπορούν να μετατραπούν σε κατανοητή ομιλία χωρίς το σωστό κλειδί.

Αντίσταση στην παρεμβολή και στην παρεμβολή

Ο παρεμβολέας πρέπει είτε να διαδώσει το σήμα του σε ολόκληρη την ευρεία ζώνη (απαιτώντας υψηλή ισχύ) είτε να γνωρίζει τον ακριβή κώδικα που χρησιμοποιείται από το επιδιωκόμενο θύμα για να προκαλέσει αποτελεσματική βλάβη. Οι παρεμβολείς των περικοπών επηρεάζουν μόνο ένα μικρό μέρος του σήματος CDMA, και η κωδικοποίηση διόρθωσης σφαλμάτων μπορεί να ανακτήσει τα περισσότερα χαμένα δεδομένα. Αυτό καθιστά τα συστήματα CDMA πιο ανθεκτικά σε επιθέσεις ραδιοσυχνοτήτων σε σύγκριση με συστήματα στενής ζώνης όπως FDMA ή TDMA.

Οφέλη από την Προστασία Δεδομένων των Επικοινωνιών CDMA

Η προστασία της ιδιωτικής ζωής των δεδομένων αποτελεί ένα κρίσιμο μέλημα στην ασύρματη επικοινωνία. Οι μηχανισμοί κωδικοποίησης και κρυπτογράφησης του CDMA βοηθούν στην προστασία των δεδομένων των χρηστών από την πρόσβαση σε κακόβουλους παράγοντες.

Ανωνυμία χρήστη και μειωμένοι κίνδυνοι διαρροής

Στα δίκτυα CDMA, η ταυτότητα ενός χρήστη προστατεύεται μέσω της χρήσης προσωρινών αναγνωριστικών (TMSI) και κρυπτογραφημένων μεταδόσεων των μόνιμων αναγνωριστικών. Επιπλέον, οι κώδικες διάδοσης φυσικών επιπέδων ανωνυμοποιούν αποτελεσματικά τις μεταδόσεις σε casual ακροατές. Επειδή κάθε κινητό χρησιμοποιεί διαφορετικό κωδικό, ένας παρατηρητής δεν μπορεί εύκολα να συσχετίσει τις μεταδόσεις με συγκεκριμένο συνδρομητή χωρίς να υποκλέψει μηνύματα σηματοδότησης υψηλότερης κλίμακας. Αυτό καθιστά σημαντικά δυσκολότερο τον εντοπισμό ή το προφίλ των χρηστών που βασίζονται αποκλειστικά στις εκπομπές ραδιοφώνου.

Προστασία από τις επιθέσεις του ανθρώπου στο μέσο

Τα πρωτόκολλα ταυτοποίησης της CDMA μειώνουν σημαντικά τον κίνδυνο ανθρωπο-στο-μεσαίο επιθέσεις. Ένας ψεύτικος σταθμός βάσης (ψευδής BTS) που προσπαθεί να υποδυθεί ένα νόμιμο δίκτυο πρέπει να ανταποκριθεί σωστά στην πρόκληση ⁇ ανταλλαγή απόκρισης. Χωρίς να γνωρίζει το μυστικό A-Key, ο αποστάτης σταθμός βάσης δεν μπορεί να πιστοποιήσει το κινητό, και το κινητό θα αρνηθεί να εγγραφεί. Ενώ ορισμένες παλαιότερες υλοποιήσεις της CDMA ήταν ευάλωτες σε ορισμένες επιθέσεις (π.χ., χρησιμοποιώντας ένα τροποποιημένο κινητό για την αποκρυπτογράφηση σημάτων), αναβαθμίσεις δικτύων και σωστή κρυπτογράφηση έχουν μετριάσει πολλά από αυτά τα ζητήματα.

Περιορισμοί και Περιεχόμενο Τοπίο Ασφαλείας

Το αρχικό πρότυπο CDMA (IS-95) χρησιμοποίησε το CMEA (Κελλαδικός αλγόριθμος μηνύματος) για την σηματοδότηση, το οποίο αργότερα βρέθηκε να είναι αδύναμο. Οι επόμενες αναθεωρήσεις εισήγαγαν ισχυρότερους αλγόριθμους όπως AES[ και SHA-1] για την εξακρίβωση της γνησιότητας. Επιπλέον, πολλές χώρες έχουν μεταναστεύσει μακριά από το CDMA στο LTE και 5G, οι οποίες προσφέρουν πιο προηγμένα χαρακτηριστικά ασφάλειας όπως αμοιβαία ταυτοποίηση, προστασία ακεραιότητας, και ισχυρότερες ιεραρχίες (EPS-AKA, 5G-AKA).

Ωστόσο, η CDMA παραμένει σε χρήση σε ορισμένες περιοχές για την κληρονομιά 2G και 3G φωνητικών και χαμηλού επιπέδου υπηρεσιών δεδομένων, καθώς και σε ορισμένα εξειδικευμένα συστήματα επικοινωνίας (π.χ. δορυφορική τηλεφωνία, ιδιωτικά δίκτυα).

Πραγματικές-Παγκόσμιες εφαρμογές που διαδηλώνουν την ασφάλεια CDMA

Οι ιδιότητες ασφαλείας του CDMA το έχουν κάνει μια προτιμώμενη επιλογή για στρατιωτικές και κυβερνητικές επικοινωνίες. Για παράδειγμα, το [[LFT:0]]Globalstar[[LFT:1]] δορυφορικό δίκτυο χρησιμοποιεί τεχνολογία CDMA σε συνδυασμό με κρυπτογράφηση από άκρη σε άκρη για την παροχή ασφαλών υπηρεσιών φωνής και δεδομένων. Ομοίως, πολλά ιδιωτικά ασύρματα συστήματα με κορμό που χρησιμοποιούνται από παρόχους υποδομών κρίσιμης σημασίας χρησιμοποιούν κυματομορφές CDMA για την πρόληψη της παρεμπόδισης και της παρεμβολής.

Για περαιτέρω ανάγνωση του θέματος, η Qualcomm CDMA technology overview παρέχει λεπτομερείς τεχνικές πληροφορίες. Η δημοσίευση NIST για την ασφάλεια του φάσματος εξάπλωσης [ προσφέρει μια εις βάθος ανάλυση των κρυπτογραφικών πτυχών. Επιπλέον, η [JEEEE paper on spread spect spect security] συζητά θεωρητικά θεμέλια.

Συμπέρασμα

Η τεχνολογία CDMA χρησιμοποιεί spread spect spect, μοναδικούς ορθογωνικούς κώδικες και ισχυρή κρυπτογράφηση για να παρέχει ισχυρή προστασία από μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση και παραβιάσεις δεδομένων στην ασύρματη επικοινωνία. Ενώ νεότερες αεροδιασυνδέσεις όπως η OFDMA στην LTE/5G βασίζονται περισσότερο στην κρυπτογραφία άνω στρώματος και την πλήρη αμοιβαία ταυτοποίηση, η φυσική άμυνα στρώματος της CDMA παραμένει ένα επιτακτικό παράδειγμα του πώς ο σχεδιασμός της ασφάλειας στη μέθοδο μετάδοσης από μόνος της μπορεί να ενισχύσει την ιδιωτικότητα. Καθώς η ασύρματη επικοινωνία συνεχίζει να εξελίσσεται, τα μαθήματα από την CDMA ⁇ ιδίως η αξία της κωδικοποίησης και της εξάπλωσης ⁇ συνεχίζουν να επηρεάζουν τις απαιτήσεις ασφάλειας και να βοηθούν στη διατήρηση της ιδιωτικότητας του χρήστη και της ακεραιότητας του δικτύου.